浅谈柴油机排放控制技术

浅谈柴油机排放控制技术

摘要：本文针对车用柴油机PM的组成及对人类生活的危害所面临的若干问题，通过对柴油机污染物的生成机理、影响因素等方面的知识，进一步地阐述对柴油机污染物的净化措施等较高问题的本质，优化排放质量，以便使车用柴油机符合环保要求，更进一步的保护我们懒以生存的家园。

关键词：车用柴油机；有害排放物；净化措施

1 车用柴油机的排放物

1.1 柴油机的排放物及危害

柴油机排放的废气中，氮气（N）占75.2%，二氧化碳（CO2）占7.1%，氧气及其他成分占16.88%，有害排放占0.82%。其中有害排放的主要成分包括：氮氧化合物占35.4%，一氧化碳占35.4%，硫化物及微粒主要是炭烟，还包括油雾、金属颗粒等占20.66%。与汽油机相比，柴油机排放的CO和HC要少得多，NOx与汽油机在同一数量级，而微粒及炭烟的排放要比汽油机多十几倍甚至更多。因此柴油机的排放控制，重点是NOx和微粒及炭烟，其次是HC。柴油机的燃烧过程比较复杂，影响因素较多，由于诸多原因的影响使柴油与空气难以达到完全燃烧的程度，可能会造成局部或整个燃烧空间出现不完全燃烧，所以产生出不完全燃烧产物和燃烧中间产物，这些燃烧产物大部分是有毒的，或者具有强烈的刺激性和致癌作用，造成了对大气环境的污染和对人体的危害，必须加以控制。

（1）一氧化碳，一氧化碳是柴油在空气不足的情况下燃烧的中间产物，在柴油机排气中一般含量较低，当柴油机燃烧局部缺氧时容易产生。一氧化碳生成量的多少取决于空燃比，由于柴油机空燃比较大，因此一氧化碳排放量不大。一氧化碳浓度达到一定程度就能引起人体慢性中毒，导致人体组织缺氧，危害中枢神经，引起头痛、头晕、四肢无力等中毒症状，严重时会导致生命危险。

（2）氮氧化物，氮氧化物是在柴油机燃烧高温条件下产生的，其生成取决于燃烧过程中的温度和反应时间的长短。在直接喷射柴油机中，由于空燃比较大，氧气较为丰富，燃烧温度也高，使氮氧化物的生成量较大。在间接喷射柴油机中，燃烧首先在极缺氧的涡流室中进行，燃烧温度相对较低，当火焰喷入主燃烧室时，使燃烧在有充足空气中且燃烧温度较低的情况下进行，可避免氮氧化物的生成时机，所以氮氧化物排放量相对较低。氮氧化物中NO、NOx都具有毒性对人体和环境破坏较大。人吸入氮氧化物后出现眩晕、无力等，严重时出现窒息。另外，还会与碳氢化合物一起引起光化学反应，造成更严重的危害。

（3）碳氢化合物，在柴油机排气中碳氢化合物的生成的主要途径为燃料不完全燃烧、

缝隙效应、曲轴箱漏气等。柴油机虽然有较大的空燃比，由于雾化质量很难达到使燃油与空气混合到理想的均匀程度，燃油在喷射时，难以避免地会喷到壁面上，而形成局部过浓混合气，形成局部不完全燃烧。另外，喷射定时滞后与延迟、负荷与转速的变化、低温启动、怠速运转等情况下都会使未燃碳氢化合物的浓度增加。排气中的碳氢化合物具有较大毒性，是一种很强的致癌物质。另外碳氢化合物是引起光化学反应的起因物质，生成的过氧化物对环境的危害很大。

（4）颗粒物，柴油机的排放颗粒物主要是炭粒，其形成的过程也很复杂。影响炭粒形成的主要因素是高温与贫氧，在过量空气系数很低、油气混合物不均匀而又处于高温下的油滴将被裂解，从而产生大量的炭粒。在柴油机的燃烧过程中，炭粒的形成除过量空气系数、混合气均匀性和燃烧温度外，还与燃料的成分有较大的关系，如燃料的碳氢比、灰分等都影响炭粒的生成。炭粒易粘附重碳氧化物及硫酸盐，形成的颗粒物悬浮于空气中，在大气中受和其他物质作用将发生光化学反应，对环境产生危害。

1.2柴油机排放物的生成机理

关于柴油机排放物生成机理说法很多，目前尚无定论。一般认为，碳烟也是不完全燃烧产物，是烃燃烧在高温缺氧的情况下裂解过程释出并聚合而成的。由于柴油机是非均质燃烧，燃烧室各区域的化学反应条件是不一致的，而且随时间而变化的，所以碳烟很可能是由许多不同途径生成的。实验观察表明，在预混燃烧阶段，火焰亮度不大，据认为这时尚未产生大量的碳粒；进入扩散型燃烧，火焰亮度大增，而且在各种工况都如此，说明碳粒主要在扩散焰中产生。柴油机燃烧过程中产生碳粒是难以避免的，它是烃燃料燃烧过程的中间产物。

Brome及Khan根据对火焰的研究资料，对碳烟颗粒的形成的定性描述，认为烃燃料在过浓的高温区中是通过深度裂解和脱氢过程，产生较小分子量的物质，在后期出现聚合反应。在燃烧室壁等非火焰区则通过聚合，产生较大分子量物质。这两个途径（或相互交错）最终产生碳烟颗粒。B.B Chakraborty和R.Long根据他们的研究和他人的资料，提出了碳烟形成机理。

他们认为在反应过程的后几个阶段生成了一种很不活泼的，难于氧化的具有多个团的聚缩乙炔化合物，由于它有大量的三键，因此聚缩乙炔就易于聚合生成黑色的、在所有溶剂中都不溶解的聚合物。高温和氢的缺乏进一步导致了聚合物的脱氢和环化，形成了几乎仅由碳组成的具有多环结构的不溶性的碳烟成分，这种碳络化物构成了具有六方晶格碳烟晶子。片晶呈平行布置但相互间有不规则的位移。聚缩乙炔不仅倾向于聚合，在提供相应的氢时，可在较低的温度下（小于1000℃）环化和氢化而形成多环芳香碳氢化合物，碳烟的这两种成分的组合可通过碳络合物吸收多环芳香碳氧化合物来进行，也可能多环芳香碳氧化合物是作为类似于石墨中的杂质那样，填入碳烟片晶层空隙之中了。

1.3影响柴油机排放物生成的主要因素

现将影响HC、CO、NOx的生成和消失的主要因素分述如下：

１．过量空气系数

柴油机中的HC、CO、NOx的生成与过量空气系数ａ变化有关。当燃烧室及供油系统的结构参数一定时，对于某一ａ值，CO排放浓度最低，偏离这一数值时，CO的排放浓度均要增加。

过量空气系数对直喷式和间喷式柴油机NOx浓度的影响基本一致。随着ａ的增加，NOx排放浓度明显降低。在ａ较小的区段，NOx下降速度快；在ａ较大的区段，NOx 下降速度较慢。

NOx排放浓度下降的主要原因是：随着ａ增加，每循环喷油量减少，气缸的放热率和平均燃烧温度降低，因而造成NOx排放浓度降低。

２．喷油定时

喷油提前角加大，将影响喷注各区燃料的分布。由于此时气缸压力、温度低，使着火延迟时间加长，结果使稀熄火区加宽，并使喷到室壁的燃油量增加，喷油提前往往会引起不完全燃烧产物的增加。

３．空气涡流

适当增加燃烧室空气涡流的强度，可改善燃油与空气的混合，促进混合气的形成，提高混合气的均匀性，减少异相燃烧。同时燃烧室局部区域混合气过浓或过稀的现象减少。另外，涡流能加速燃烧，使气缸最高燃烧压力和温度提高。这些有利于未燃烃的氧化。但空气涡流过强，则相邻两喷注之间形成互相重叠和干扰，使混合气过浓或过稀的现象更加严重，反而使HC排放增加。

４．涡轮增压

废气涡轮增压是提高柴油机功率、降低油耗的一项主要措施。涡轮增压对柴油机排放也有重要影响。在燃空比相同的情况下，涡轮增压使柴油机的进气压力和整个循环温度比不增压时高，这将有利于氧化反应，减少未燃烃及CO的生成，而且未燃烃在排气管和涡轮中还可以继续氧化，所以排气中HC的降低了。由于增压后加大了空燃比，则更有利于排气中HC和CO的降低。由于增压后燃烧温度高，空燃比大，所以导致较高的NOx浓度。但如果将增压后的空气冷却，降低进气温度，可以使NOx排放降低到非增压时的水平，同时由于进气密度增加，中冷对柴油机烟度和燃烧经济性也有好的影响。

５．燃烧系统

分隔式燃烧系统比直喷式燃烧系统的有害排放物低得多，如图2—8所示。在分隔式燃烧系统中有害排放物是在两个阶段产生的：一是在辅助燃烧室（即涡流室或预燃室）中的燃烧，二是在燃气从辅助燃烧室流出之后在主燃烧室混合和燃烧。在部分负荷运转

期间，随着负荷增加辅助燃烧室中喷入的燃料增多，氧的浓度减少，未燃烃和CO随着负荷增加而增加。但在主燃室有强烈的燃烧涡流，加速了混合气的形成和燃烧，同时气缸温度较高，加速了氧化速率，因而使HC及CO排放量都较直喷式为低。

2排放物的净化措施

2.1减少柴油机排气污染物的控制技术

柴油机排气中的有害排放物主要是NOx和微粒，CO和HC的排出量较少，对大气污染不产生严重影响，而且比较容易通过燃烧系统匹配加以解决。由于柴油机排放的NOx和微粒颗粒的生成条件有相反的倾向，例如为减少NOx排放要降低燃烧温度，但燃烧温度的降低会使油耗增加，功率输出降低，更会造成微粒排放量增加。因此柴油机在微粒控制技术的开发上必须兼顾对NOx生成量的影响。同样在研究减少NOx排放率的控制技术之同时也必须兼顾微粒排放量、燃油消耗率及输出功率等问题，如此发展的控制技术才有实用价值。

以下容将介绍减少柴油机排气污染物所采取的一些方法。

2.2 燃烧系统的改进

2.2.1 直接喷射式燃烧系统的改迸

柴油机的燃烧室型式、形状和结构参数对柴油机的燃烧和污染物的生成具有重要的影响，现代柴油机必须在节油、低污染、高输出功率方面进行综合的优化设计。在燃烧室的改进上，其基本原则是使燃烧室与进气涡流、喷油合理匹配，以减少污染物的生成。

2.2.2 间接喷射式燃烧系统的改进

间接喷射式燃烧室与直接喷射式柴油机相比，因二次燃烧的结果，NOx和碳烟排放量均较直喷式低。但因燃烧室散热面积大，以及附室喷孔的节流损失，所以热效率低，燃料消耗率高。以前大多数使用间接喷射式燃烧系统，所以目前相当比例的轿车和轻型货车使用涡流室燃烧系统。

2.3进气系统的改进

高速直喷式柴油机除了采用超高喷射压力以外（喷油压力在120~150Mpa以上），大都需要组织进气涡流来改善混合气形成和促进燃烧过程的进行。涡流比的大小对柴油机性能和排放有很大影响。因此，必须按照实际情况选择最佳涡流强度与燃烧室及燃烧系统相匹配。以往设计的螺旋进气道其涡流强度只能在发动机的某个工况运转点才能实现，在大部分工况都不能处在最佳匹配点状态。为了更有效控制气缸中的涡流强度，1985年五十铃汽车公司研制了可变涡流比控制系统，如图3—5所示。该机构的工作原理是：在气缸盖进气道中设置了一个副进气道，副进气道入口有一个阀门，该阀门的开启由气动活塞控制。电子控制装置根据发动机转速、负荷（齿杆位置）、水温传感器发出的信号控制电磁阀电路的接通和关断，即可控制压缩空气。气动活塞受压缩空气作用决定副进气道口阀的开闭，以控制涡流的强弱。采用这种装置后，发动机性能有所改善，也可

减少排气污染。

2.4燃料喷射系统的改进

在改善柴油机的性能和降低HO、NOx及碳烟方面，燃油喷射装置具有重要作用。采用高压喷射、预喷射、电子控制喷油系统等燃料喷射装置已取得相当满意的效果。

2.4.1 高压喷射系统

直喷式柴油机的燃油是依靠本身所具有的动量，在高速流动的过程中油束分裂成微小的油滴并卷入新鲜空气以形成良好的混合气。高压喷射能使燃油得到大的能量，使雾粒细小，喷雾蒸发速度及混合气形成速度加快，燃油喷射时期缩短，故能提高燃烧性能，缩短燃烧时间，使NOx和碳烟微粒排放量减少，发动机的输出功率增加，油耗降低,喷射压力、喷孔数和气门结构对柴油机NOx和微粒排放的影响。

2.4.2 改进喷油器结构

喷油器中装有两对弹簧和推杆以取代一般喷油器的单一弹簧和推杆。当油压超高第一弹簧力时，喷油嘴针阀上升，预先喷入极少量的燃油到气缸中，油压超过第一和第二弹簧力之和时，针阀上升之全行程，再将主喷油量喷入气缸。主喷射时燃烧室中已有燃烧火焰，因此主喷射阶段喷雾燃烧迅速，对于减少起动时的白烟、全负荷时碳烟及NOx 排放具有相当好的效果。由于燃油分成两段喷射，可以降低最高燃烧压力，因此可以降低发动机的噪音。

2.4.3 电子控制喷射系统

为提高柴油机的输出功率，节省燃油消耗，降低排气污染和提高加速性能，现代高性能柴油机的喷射系统已改用电子控制。

电子控制与机械控制相比其突出的优点是控制的精确性和相应的快速性。它可以在任何工况下选择最佳喷油量和最佳喷油时刻，从而改善了柴油机的性能。国外研究表明，用电子控制调速器和喷油定时，可以使全负荷扭矩增加10%，燃油消耗率降低5%左右，排气烟度下降50%，其它排气污染物也有所降低。

2.5 燃料的改良

2.5.1 燃料的改质

燃料的品质影响燃烧过程，因此直接会影响污染物的排放。从减少柴油机颗粒物排放观点看柴油的品质时，以含硫量、芳烃含量、挥发性、十六烷值等项较为重要。

有关研究表明，柴油机微粒排放中有5%~10%是由于柴油中硫所形成的硫酸和以微粒形式存在的多种金属硫化物（硫酸盐等）引起。硫酸会加剧气缸磨损，降低柴油中硫含量可以延长发动机使用寿命，减少排放污染物。为了达到美国1991年排放法规，需使用含0.1%硫的柴油，而要达到年排放法规，柴油中含硫量必须降低到0.05%。

柴油中芳烃含量对微粒物的生成具有重要影响。芳烃着火性较差，在燃烧时容易产生较多的碳烟。降低柴油中芳烃含量可以减少柴油机微粒物的排放。根据

Caterpillar/Mobil研究资料显示，将芳烃的含量由一般柴油含量的29%降低到17%时，微粒排放量可减少30%。同时由于芳烃含量降低会使十六烷值提高，对提高柴油机的冷起动性能、减少HC和NOx排放也有很大作用。

柴油中芳烃含量对微粒物的生成具有重要影响。芳烃着火性较差，在燃烧时容易产生较多的碳烟。降低柴油中芳烃含量可以减少柴油机微粒物的排放。根据研究资料显示，将芳烃的含量由一般柴油含量的降低到时，微粒排放量可减少同时由于芳烃含量降低会使十六烷值提高，对提高柴油机的冷起动性能、减少和排放也有很大作用。

2.5.2 燃油添加剂

在柴油中加消烟添加剂可明显降低排气烟度。消烟剂为金属的有机化合物，一般含钡、锰、镁、锌等，用量为千分之一到千分之五。

对于消烟机理目前还不清楚，有人认为消烟剂没有抑制碳烟的生成，而是促进了碳烟粒子的后燃，并释放出少量热使废气温度

有所提高。消烟剂促使碳粒在膨胀过程中后燃的原因估计有三点：

①碳烟晶子附聚成较大的粒子被抑制

②碳粒氧化反应温度被降低，从原来的640~750℃降低为550~630℃，这使碳粒的燃烧时间加长，所以碳烟减少

③消烟剂中含有的金属在原子状态下被释放出来起了催化剂作用

但是消烟添加剂往往引起燃料燃烧的灰分和沉积物增多，引起发动机的磨损，如采用含钡添加剂，燃烧中生成氧化钡物质。在添加剂体积百分比为0.5%时，燃料中的含灰量已达到不能允许的程度，由此而引起沉积现象。沉积在喷嘴和燃烧室上时会引起发动机工作过程恶化，以至在工作较长一段时间后，发动机废气中的碳烟量又增加。氧化钡是一种熔点高的白色物质，它可使气缸和第一道活塞环磨损加剧。

近年来国外开展了用燃油添加剂减少微粒物的研究，已有用铜添加剂控制微粒排放的报告。铜能改变排气微粒的氧化特性，燃油中加入铜添加剂能使收集在微粒捕集装置中的微粒继续氧化。

2.6柴油机排气污染物的机外净化措施

2.6.1 催化净化技术

使用催化净化技术来减少发动机的气态污染物在汽油机上已广泛使用，而在柴油机上应用的还不多。这是由于CO和HC比汽油机低得多，一般能符合当前各国排放要求，而且柴油机废气处理困难较多。柴油机废气中NOx与汽油机相近，是需要控制的。但废气中氧的浓度高，不能用还原催化剂净化NOx。另外废气中氧的浓度高，虽对采用氧化催化剂净化CO和HC等有害成分有利，可以不用二次空气，但柴油机排气温度低，使催化剂转化率受到不利影响。柴油机排放中碳烟多，SO2也比汽油机多，都会降低催化转化器的寿命。特别是柴油机在变工况低负荷下工作时，废气量的碳烟和沥青等成分

会粘附在催化剂表面，使催化剂失去活性。由于应用催化剂遇到的问题，柴油机使用催化反应器处理废气的办法采用的很少。只有地下矿坑或隧道使用的柴油机，因为排气净化要求严格，需要采用这种办法处理CO和HC。在废气处理中，为了保证催化剂有足够的温度，要求催化剂的安装尽量靠近排气歧管，并尽量避免柴油机在怠速下长期运转。同时，还要采取措施，设法对失去活性的催化剂进行处理，烧掉附着在催化剂表面的碳粒和沥青，使催化剂再生，以延长使用寿命。

2.6.2 柴油机微粒物机外净化方法

微粒的机外净化装置是由捕集徽粒的过滤器（又称捕集器）及氧化再生系统组成。捕集器可将排气中的微粒捕捉不使其排出，再利用催化剂、氧化器、燃烧器等进行分解、燃烧。这种装置可将柴油机微粒减少70%~90%。

(1) 捕集器

用来捕集微粒的过滤器的材料和构造有许多种，常用的有整体式瓷、金属丝网、编织纤维圈、瓷纤维、泡沫瓷等。

柴油机中的微粒能被过滤材料捕集主要有３种机理：撞击、拦截和扩散。

排气系统中安装捕集器后将会使发动机的排气背压提高，功率下降。捕集材料上沉积的颗粒越多，排气背压越高。因此，必须定期清除沉积在过滤材料上的微粒。

（２）捕集器的再生方法

清除沉积在过滤材料上微粒的过程称为捕集器的再生。在发动机正常工作的转速和负荷下，发动机的排气温度一般在200~500℃，而微粒的燃点一般为500~600℃，依靠发动机的排气很难使捕集器再生。要使捕集器再生必须降低微粒的燃点或提高排气温度。通过在燃油、排气中加入添加剂或在过滤材料表面涂催化层可以降低微粒的燃点。通过提高排气温度使捕集器再生的方法主要有电热器加热补燃和燃烧器加热补燃。

3 结果分析与讨论

本课题在设计的进行过程中，针对柴油机的有害物排放特性及影响因素进行了研究分析，并取得了部分阶段性的结论。但是由于时间的有限及柴油机排放过程复杂性，到目前为止仍有大量的工作有待于进一步的改进和完善：本课题主要是为柴油机有害排放物的研究进行初步探讨和积累实验数据，若将柴油机有害排放物数据与排放数据进行同步采集，进而得出柴油机有害物排放特性，这样就可以找出影响柴油机有害物的影响因素，以便进一步控制燃烧和排放。本课题的研究由于技术条件有限加之设备不齐全，所得数据无法适合于实际应用中，因此需要更精密的仪器对本课题进行研究，在今后的研究中将会取得令人满意的成果

4 结论

本文针对车用柴油机有害排放物采取了不同的应对措施。通过对柴油机有害物的排放特性的分析，最终得到了一些应对柴油机有害物排放的措施，并对此进行了研究。现

将进行的工作和得到的结论作一个简要的总结：

概述了柴油机在实际运行过程中有害排放物的出现，从而论述开展柴油机有害物排放特性研究的意义。详细总结了柴油机有害物排放特性方面的研究，主要介绍了应对有害排放物所采取的各种措施，进一步提出了本文的研究容和研究思路。在参考了相关专著和文献的基础上，对柴油机有害排放物采取了改进节气门、改进进气系统、采用电控喷射等相关措施。在原有基础上对柴油机排放的有害物的生成机理、生成的影响因素等进行了分析。对进排气系统、电控喷射系统及节气门进行了实验，将所得数据经处理后得出柴油机有害排放物的具体应对措施。